燃煤烟气中 SO3成因、影响及其减排对策

陈焱,许月阳,薛建明

(国电科学技术研究院,江苏南京 210031)

燃煤烟气中 SO3成因、影响及其减排对策

陈焱,许月阳,薛建明

(国电科学技术研究院,江苏南京 210031)

煤燃烧过程中产生的 SO3不仅造成了酸性烟雾,而且排放时会形成蓝色或黄色烟羽,增加了烟囱排放的烟羽浊度,破环了景观。近年来,火电厂烟囱常见的蓝烟/黄烟现象给周边大气环境带来一定的影响。针对部分燃煤电厂在脱硫、脱硝装置投运后,出现蓝烟/黄烟现象进行了研究,并提出了可供选择的控制对策和建议。

燃煤;SO3;气溶胶;蓝烟/黄烟;减排对策

随着环保法规的日趋严格,燃煤电厂为了有效地降低烟气中 SO2和NOx的排放量,遏制酸雨的蔓延,纷纷建设了脱硝及脱硫装置。据统计,截至2010年底,我国燃煤电厂建设脱硫装置的装机容量超过 6亿 kW,其中,湿法脱硫装置约占 90%,建设SCR/SNCR脱氮装置的装机容量超过 5000万 kW。但随着脱硫、脱硝装置的建成投运,燃煤电厂锅炉在燃烧过程中产生的 SO3经过脱硝脱硫后其浓度会有所并以硫酸气溶胶的状态通过烟囱排放,增加了烟囱排放的烟羽浊度,不但对公众的健康造成威胁,而且有色烟羽的排放破环了景观、影响了视觉感受,给公众带来了很多顾虑。笔者针对燃煤电厂出现可见烟羽蓝烟/黄烟的新环境污染问题,进行了较为深入的研究分析,并提出了控制 SO3,消除蓝烟/黄烟烟羽现象的可选技术措施。

1 蓝烟/黄烟可见烟羽

2000年,在美国电力公司 Gavin电厂首次出现蓝烟/黄烟烟羽现象。该厂在总容量为 2600MW的多个机组上安装了 SCR装置和湿法 FGD装置硫后,烟囱排烟由原来几乎看不到的烟羽,改变为较为浓厚的蓝色/黄色烟羽,对电厂的景观产生严重的影响。随着越来越多的 SCR装置和湿法 FGD装置的投运,我国部分电厂也出现了类似的现象。

1.1 可见烟羽形成的原因

烟囱排烟出现可见烟羽的主要原因是:烟囱排出的烟气中含有硫酸的气溶胶;排出烟气中亚微米颗粒粉尘的存在,使得 H2SO4以亚微米颗粒粉尘作为凝结中心,加强了凝结过程;硫酸气溶胶的粒径非常小,对光线产生散射;由于颗粒的尺寸和可见光的波长接近,属于瑞利散射。瑞利散射的特点是:散射光的强度与波长的四次方成反比,因此短波的蓝色光线散射要比长波的红色光线强许多,最终使得烟囱在阳光照射的反射侧,排烟的烟羽呈现蓝色,而在烟羽的另一侧(透射侧)呈现黄褐色。

1.2 影响烟羽的因素

影响烟羽颜色和不透明度 (浊度)的主要因素是:气溶胶颗粒粒径的大小和浓度;太阳光的照射角度;烟囱的排烟温度;大气环境条件。

在大多数的情况下,尤其是 H2SO4气溶胶、水、亚微米颗粒同时存在时,凝结是主要的生成机理。烟羽的浊度主要受到烟气中可凝结物和亚微米飞灰浓度的影响。当 H2SO4浓度较低或中等时,亚微米烟尘的粒径分布对烟羽的浊度有明显的影响,主要是由于这些颗粒起到了汽相 H2SO4凝结中心的作用[1]。因此,在燃煤电厂建设了满足环保要求的高效除尘器、SCR脱硝装置和烟气脱硫装置后,在无法进一步降低亚微米颗粒物排放浓度的情况下,除由于烟羽中水蒸汽凝结所造成的白色烟羽之外,SO3的排放成为影响烟羽颜色和不透明度最主要的因素。在大多数情况下,当烟气中硫酸气溶胶的浓度超过 10×10-6时,会出现可见的蓝烟/黄烟烟羽,且硫酸气溶胶的浓度越高,烟羽的颜色越浓、烟羽的长度也越长,严重时甚至可以落地。

2 SO3的产生及气溶胶的形成

2.1 SO3形成的主要途径

SO3的生成非常复杂,主要取决于锅炉的燃烧、燃料成分、运行参数、脱硫、脱硝设施运行状况等。燃煤在锅炉炉膛的燃烧过程中,几乎所有的可燃性硫都被氧化成为气态 SO2和 SO3,其中绝大部分是SO2,仅有 1%～5%的 SO2会进一步氧化成 SO3。在锅炉省煤器 420～600℃的温度范围内,部分 SO2在氧化铁的催化作用下生成。SCR中以 TiO2为载体、V2O5或 V2O5-WO3、V2O5-MoO3为活性组分的催化剂,既具有较高的脱硝效率,但同时也促进了 SO2向 SO3的转化,其转化程度取决于催化剂的配方和 SCR的运行工况。一般来说,对于烟煤每层催化剂 SO2的转化率约为 0.25%～0.5%,对于低硫次烟煤每层的转化率约为 0.75%～1.25%。因此,在有 2～3层催化剂的 SCR系统中,SCR出口烟气中 SO3的浓度会比入口增加约 50%。

2.2 气溶胶在湿法脱硫中的生成

当含有气态 SO3或 H2SO4的烟气通过湿法烟气脱硫系统时,由于烟气被急速冷却到酸露点之下,且这种冷却速率比气态 SO3或 H2SO4被吸收塔内吸收剂吸收的速率要快得多,因此,SO3或 H2SO4不仅不能有效脱除,而且会快速形成难于捕集的亚微米级的 H2SO4酸雾[2-3]。一般来说,酸雾中颗粒较大的雾滴是可以被吸收塔除去的,但是对亚微米级的雾滴,吸收塔则无能为力,形成的亚微米级的雾滴只能通过烟囱排入大气。

3 烟气中 SO3的潜在危害

3.1 对环境的影响

目前,燃煤烟气中所排放的酸性烟雾对人类健康影响的研究尚不够深入,数据尚还不完整,但总的来说,在低浓度的酸性气溶胶的环境中,对于年青、健康成年人的肺功能影响很小。当 H2SO4气溶胶与下沉烟羽结合在一起时,烟囱附近的环境污染浓度明显提高,结合气象条件和运行工况,在烟囱邻近区域会出现酸雾,如这种酸雾持续时间较长,则会损害建筑物和植被。

3.2 对机组设备的危害

烟气中 SO3对机组设备的危害主要为低温腐蚀、高温结垢、堵塞设备。SO3会和烟气中的水蒸汽结合形成硫酸,在露点温度下凝结并腐蚀金属部件。在 600～650℃的温度区域,SO3会与氧化金属表面发生催化反应,生成三硫化铁或亚硫酸盐而结垢。SO3还会与 SCR脱硝喷入的还原剂 NH3反应形成硫酸盐颗粒,尤其是 (NH4)2SO4和NH4HSO4,这些物质会导致低温设备部件的沾污和堵塞。

4 SO3的控制和减排对策

4.1 炉内喷碱性物质

在炉膛中喷入碱性物质可有效减少 SO3排放。如炉内喷钙技术,既可脱除部分 SO2、防止 SCR的砷中毒,又对 SO3的控制也十分有效,SO3脱除率最高可达 90%。此外,研究表明,炉内喷射钙基、镁基吸收剂,可降低炉膛内的 SO3浓度[5]。

4.2 炉后喷碱性物质

在炉后或省煤器的出口喷入碱性物质既可减少SO3对空预器的腐蚀,也可有效地降低 SO3的排放[6]。一般来说,要控制 SO3的排放,碱性物质的喷入位置应设置在空预器之后。但对于存在空预器低温腐蚀的机组,应把吸收剂的喷入点选在空预器的上游,且加装必要的清洗装置。在除尘器前喷入碱性吸收剂时,必须考虑对除尘器的影响,如入口粉尘浓度的增加、粉尘比电阻的变化等。典型 CFB和N ID工艺对 SO3脱除率可以达 80%～90%。

4.3 采用 ROFA技术降低 SO3的生成

ROFA技术把强湍流和旋转涡流结合起来,使得炉膛得到更有效的分级燃烧。由于充分的混合和特殊的设计,ROFA产生的 NOx、CO、未燃碳、氧量和可燃物以及 SO3要比其他的火上风 (OFA)系统要低。据统计,ROFA在不使用任何吸收剂的前提下,通过对燃烧的调整可以在减少 50%的NOx的同时,减少80%的 SO3排放。

4.4 脱硝催化剂配比的调整

SCR中以 TiO2为载体的催化剂,具有高的脱硝效率,且其中的 TiO2具有较强的抗 SO2性能,WO3有助于抑制 SO3的生成,但 V2O5或 V2O5-WO3、V2O5-MoO3能促进 SO2向 SO3的转化。此外, SO2/SO3的转换率还与 SCR的面积速度即烟气流速与催化剂的表面积之比有关,面积速度越大, SO2/SO3的转换率越小。因此,在选择 SCR以 TiO2为载体的催化剂时,可合理调整V和W的配比,适度减小催化剂的壁厚,在不影响脱硝效果的条件下,可有效控制脱硝阶段的 SO3的生成。

4.5 除尘器前喷氨

在空预器后和电除尘器之间喷入氨,一方面可有效地脱除烟气中的 SO3,其脱除率约 90%[7];另一方面可对飞灰进行调质,通过飞灰的凝结来改善ESP的性能。

4.6 燃料切换和混煤参烧

采用产生 SO3较少的次烟煤和烟煤混烧,降低燃煤硫份,减少烟气 SO2浓度,也降低炉膛和 SCR中 SO2向 SO3的转化,次烟煤的高含量碱性灰份也有助于空预器和除尘器中 SO3的捕集[8-9]。

4.7 湿式静电除尘器

湿式静电除尘器(WESP)能有效地收集亚微米颗粒和酸雾[10]。WESP可以设计成立式或卧式的,收集表面可以是管式的或是平板式。管式WESP的占地面积较小,效率一般比平板式要高。WESP可与湿式洗涤塔集成在一起,收集从洗涤塔逃逸出来的细小硫酸雾滴,其对 SO3的脱除率可达 95%,烟羽的浊度几乎为零。

5 结语

(1)燃煤电厂的可见烟羽是电厂文明生产和环境质量的新问题。研究发现,在燃煤电厂当前的环境保护治理条件下,SO3的排放是影响烟羽颜色和不透明度的重要因素之一。

(2)SO3的生成非常复杂,主要取决于锅炉的燃烧、燃料成分、运行参数、设备的布置、脱硝脱硫设施运行状况等。SO3浓度过高,会引起下游设备的低温腐蚀、硫酸盐的结垢、玷污和堵塞等。

(3)湿法烟气脱硫系统不仅不能有效脱除烟气中的 SO3或 H2SO4,而且会快速形成难于捕集的亚微米级的 H2SO4酸雾,通过烟囱直接排入大气,成为形成可见烟羽的罪魁祸首。

(4)通过调整和优化燃烧方式、在锅炉炉膛至ESP之间的不同位置喷入碱性物质和氨、设置湿式静电除尘器、调整催化剂活性组分等,可有效抑制SO3的生成或脱除烟气中的 SO3,达到降低烟囱出口 SO3的浓度,消除可见烟羽的目的。

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Discussion on flue gas SO3for mingmechanism,impact and its countermeasures

The em ission of the flue gas SO3generated in the process of coal com bustion not only resulted in the em ission of acid fumes,and w illfor m a blue or yellow p lum e,increasing the turbidity plume em issions from ch imney,but also destroying the landscape.Past years,ther m al power ch imney common em erge blue smoke and yellow smoke phenomenon has bring some impact on around environm ent.Part of the coal-fired power plants put into operation ofW FGD and SNCR denitrification equipm ents,the emergence of blue smoke/yellow smoke are studied and analyzed,and alternative control strategies and recomm endations are put forward.

coal;SO3;aero sol;blue smoke/yellow smoke;em ission reduction measures

X701.3

B

1674-8069(2011)03-035-03

国家高技术研究发展计划(863计划)(408007)

2010-12-29;

2011-05-03

陈焱 (1977-),男,江苏泰州人,长期从事火电厂脱硫、脱氮、脱碳及除尘等技术开发和工程应用以及循环经济产业化环保途径的研究。E-mail:chenyangdhb@126.com